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登上Nature!中國量子中繼技術取得重大突破


本次實驗向實現量子中繼邁出了重要一步。

近日,中國研究團隊在英國《自然》雜誌發表新論文介紹,他們成功在兩個由50公里長光纖連接的量子存儲器間實現量子糾纏,為構建基於量子中繼的量子網絡奠定了基礎。這項研究由中國科學技術大學、濟南量子技術研究院以及中國科學院上海微系統與信息技術研究所合作開展。

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50公里通信距離:足夠連接兩座城市

實驗中,研究團隊結合多項新技術,成功在兩個由50公里長光纖連接的量子存儲器間實現雙節點的量子糾纏,這一距離足以用於連接兩座城市

團隊表示,學術界廣泛採用的量子通信網絡發展路線是通過基於衛星的自由空間信道實現廣域覆蓋,同時利用光纖網絡實現城域及城際地面覆蓋。然而光子在光纖上的節點間傳輸時,受限於光纖的固有衰減,目前最遠的點對點地面安全通信距離僅為百公里量級。

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實驗方案示意圖

研究負責人之一、中國科學技術大學的潘建偉教授表示,要拓展量子通信的距離,一個方法是將點對點傳輸改為分段傳輸,並採用量子中繼技術進行級聯,即將整個通信線路分幾段,每段損耗都較小,再通過量子中繼器將這幾段連接起來,這使得構建全量子網絡成為可能。

然而,受限於光與原子糾纏亮度低等技術瓶頸,此前最遠光纖量子中繼僅為公里量級

實現量子中繼的重要一步

為實現遠距離量子存儲器間的連接,團隊克服了多項技術挑戰。首先,採用環形腔增強技術來提升單光子與原子係綜間耦合,並優化光路傳輸效率,將此前的光與原子糾纏的亮度提高了一個數量級。

其次,由於原子存儲器對應的光波長在光纖中的損耗約為3.5dB/km,在50公里光纖中光信號將衰減至十億億分之一,使得量子通信無法實現,團隊自主研發週期極化鈮酸鋰波導,通過非線性差頻過程,將存儲器的光波長由近紅外轉換至通信波段,經過50公里的光纖僅衰減至百分之一以上,效率相比之前提升了16個數量級

最後,為實現遠程單光子乾涉,研究團隊設計並實施了雙重相位鎖定方案,成功地把經過50公里光纖的傳輸後引起的光程差控制在50nm左右。

通過多種技術的結合,研究團隊最終實現了經由50公里光纖傳輸的雙節點糾纏,並演示了經由22公里外場光纖的雙節點糾纏。該工作得到《自然》審稿人的高度評價“該結果是非常傑出的,向實現量子中繼方向邁出了重要一步,將這些操作拓展至城域距離是本領域的一個重大進展。

量子通信進展

所謂量子通信,從概念角度來講就是利用量子介質的信息傳遞功能進行通信的一種技術,主要包括量子密鑰分配、量子隱形傳態等技術。

量子密碼 (Quantum Cryptography)是利用量子力學屬性開發的密碼系統。與傳統的密碼系統不同的是,其安全性依賴於量子力學屬性(不可測量和不可克隆等)而不是數學的複雜度理論。目前,量子密鑰分配是研究最為成熟的量子密碼技術。

在國內,2004年,郭光燦團隊就完成了途徑北京望京—河北香河—天津寶坻的量子密鑰分配,距離125km。 2008年,潘建偉團隊建成基於商用光纖和誘騙態相位編碼的3節點量子通信網絡,節點間距離達20km,能實現實時網絡通話和3方通話。

2009年,郭光燦團隊建成世界上第一個“量子政務網”。同年9月,中國科技大學建成世界上第一個5節點全通型量子通信網絡,實現實時語音量子密碼通信。

2011年5月,王建宇團隊研發出兼容經典激光通信的“星地量子通信系統”,實現了星地之間同時進行量子通信和經典激光通信。

2012年2月17日,合肥市城域量子通信實驗示範網建成並進入試運行階段,具有46個節點,光纖長度1700km,通過6個接入交換和集控站,連接40組“量子電話”用戶和16組“量子視頻”用戶。

2013年5月,中科院在國際上首次成功實現星地量子密鑰分發的全方位地面試驗。同年11月,濟南量子保密通信試驗網建成,包括三個集控站、50個用戶節點。

2015年12月,中國科學院、中國科學技術大學和科大國盾量子等機構在北京共同發起組建了“中國量子通信產業聯盟”。同年,中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室潘建偉院士、陸朝陽教授等完成的“多自由度量子隱形傳態”被歐洲物理學會新聞網站《物理世界》評為年度突破。潘建偉小組於2007年在國際上首次實現百公里量級的誘騙態量子密鑰分發,成功解決了非理想單光子源帶來的安全漏洞,但在理論上,仍然存在安全隱患。 2013年,潘建偉小組發展了獨立激光光源的干涉技術,並與美國斯坦福大學聯合開發轉換探測器,結合清華大學馬雄峰教授的理論分析,在國際上首次實現測量器件無關的量子密鑰分發,成功解決現實環境中單光子探測系統易被黑客攻擊的安全隱患,並大大提高現實量子密鑰分發系統的安全性。目前,合肥、濟南、烏魯木齊、蕪湖等城市已成功搭建城域實驗網。其中,合肥城域量子通信試驗示範網已成功研發出成系列的量子通信網絡終端設備、量子通信微光探測核心器件、量子通信網控設備等產品,實現了核心器件小型化、終端產品高集成化等重要目標。

在2016年8月16日,我國發射首顆“墨子號”量子衛星,這標誌著我國在全球已構建出首個天地一體化廣域量子通信網絡雛形,為未來實現覆蓋全球的量子保密通信網絡邁出了新的一步。

2020年2月份,郭光燦院士團隊在量子通信實驗研究中取得重要進展,該實驗室李傳鋒、柳必恆等人與香港大學理論物理學家合作,首次實現量子信道因果序的相干疊加,證實這種非定序因果結構相比標準的量子香農理論在傳輸經典信息和量子信息上都具有優勢,該成果1月24日發表在國際物理學著名學術期刊《物理評論快報》上。該工作是國際上首個利用量子信道因果序的相干疊加實現超越標準量子香農理論的量子通信的原理性實驗驗證,是香農理論二次量子化的重要一步。

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非定序因果結構信道的信息傳輸實驗裝置圖

過往,量子通信的重要意義吸引了各國科研機構的高度關注,IBM、NIST、Battelle、NTT、東芝、西門子等公司和機構一直密切關注其發展並投資相關研究。英國政府在2013年發布了為期5年的量子信息技術專項,投入2.7億英鎊用於量子通信和量子計算等方面的研究成果轉化,促進新應用和新產業的形成。國外成立了多個專門從事量子通信技術成果轉化和商業推廣的實體公司。例如美國的MagiQ公司和瑞士日內瓦大學成立的idQuantique公司等,能夠提供QKD量子通信的商用化器件、系統和解決方案。法國電信研究院成立的SeQureNet公司從事連續變量量子密鑰分發產品的開發。美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室成立了Qubittek公司,主攻智能電網安全通信領域。

國內開展量子通信相關研究的代表性機構包括中國科學技術大學、中國科學院微系統所和技術物理所、清華大學、山西大學和南京大學等。以中國科學技術大學相關研究團隊為核心發起成立了科大國盾量子、安徽問天量子和山東量子等產業化實體,進行量子通信前沿研究成果向應用技術和用化產品的轉化,國家對量子通信領域持續的專項投入和政策扶持為其發展提供了強大動力。

參考鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-1976-7

http://www.cas.cn/syky/202002/t20200213_4734442.shtml